Bougies

 

 

BOUGIES

 

Bij het woord “ontsteking” loopt bij menig clublid een rilling over de rug.
Pech onderweg is bijna altijd terug te voeren op de elektrische afdeling van ons stalen ros.
Een van de meest gevoelige onderdelen in dit systeem is de bougie. 
De bougie heeft tot taak het mengsel van brandstof en lucht te ontsteken
door vonkoverslag tussen twee of meer elektroden te realiseren.    
Elke bougie is opgebouwd uit vier basiselementen.
Van binnen naar buiten bekeken gaat het achtereenvolgens om de centrale aansluitstift (3)
met elektrode (4), de centrale elektrode (5) met de massa elektrode (7), de isolatorneus (8),
de isolator (2) en de huls met schroefdraad.

 

De isolator (2): Vroeger werden bougie-isolatoren gemaakt van porselein.
Tegenwoordig maakt men deze van steatiet of aluminiumoxide.
                                                                                                                                                                                                                                                            
 Deze materialen hebben een zeer dichte structuur en een hoge
betrouwbaarheid t.a.v. vonkoverslag.
De buitenkant is voorzien van een laagje glazuur om aanhechting van vocht en vuil te voorkomen.
De isolator heeft vaak een geribbeld profiel om de kruipstroombarrière te vergroten.
De nieuwere typen autobougies zijn vaak glad
omdat vocht en vuil door de diepe plaatsing
in de cilinderkop nauwelijks meer toegang hebben tot de isolator.
 
Voordeel :
meer gevoel bij monteren en makkelijker te demonteren
doordat de aansluitdop niet blijft steken.
Onder “kruipstroom” verstaan we het langs de buitenkant
weglekken van stroom naar de massa.
 
Figuur 1.2  Isolator (Denso)
 
 
 
De huls: Deze bestaat uit staal waarvan de buitenzijde is voorzien van een laag nikkel
teneinde corrosie en vastvreten te verhinderen.
 
ELEKTRODENMATERIAAL
 
Voor een standaard bougie worden elektroden gebruikt van gelegeerd nikkelstaal.
Het hoofdbestanddeel nikkel is gelegeerd met chroom, mangaan en silicium.
De legeringelementen hebben voornamelijk tot doel de chemische bestendigheid te verbeteren.
Het nikkel op de schroefdraad vermindert o.a. de neiging tot vastvreten in de cilinderkop.

 

 Centrale elektrode:

 Vooral voor thermisch zwaar belaste motoren zijn bougie elektroden nodig
die een betere warmtegeleiding hebben.
Hiervoor kan een samengestelde of koperkern centrale elektrode worden gebruikt.
de kern is hier van koper voor een betere warmteafvoer
en de mantel is van gelegeerd nikkelstaal.
Dit type wordt momenteel als “standaard” bougie het meest toegepast.

 Figuur 1.3 Koperkern elektrode

 

De meeste warmte wordt afgegeven via de schroefdraad van de huls
naar het koelsysteem van de motor.
Het verse mengsel neemt ook een aardig deel van de warmte voor zijn rekening.
Als er hoge eisen gesteld worden aan de levensduur en de ontstekingsbetrouwbaarheid,
dan is de platina kern het meest geschikt. Het materiaal is corrosiebestendig,
hittebestendig en door de dunne kern is de mengseltoegankelijkheid beter.

 Massa elektrode:

 De massa elektrode die is gemaakt van een nikkellegering reageert sterk op de motortemperatuur
en zal in een warme motor heter worden en dus meer slijten dan in een koude motor, terwijl de zelfreinigingtemperatuur van de bougie toch ongeveer hetzelfde blijft.

  Figuur 1.4  Warmte afvoer

 

Om de verbranding bij een moderne motor zo optimaal mogelijk te laten verlopen
moet de vonk zo centraal mogelijk in de verbrandingskamer ontstaan.
Daardoor ontstaat dus een lange centrale elektrode die diep in de verbrandingskamer steekt
en dus ook een lange massa elektrode die sneller kan gaan gloeien.
Teneinde dit te voorkomen wordt bij moderne bougies steeds meer een
koperkern massa elektrode toegepast,
waardoor de werktemperatuur zo’n 100° C lager ligt Ook de elektrodeslijtage neemt hierdoor af.
Deze slijtage wordt veroorzaakt door corrosie  en erosie van de punten
waardoor vooral de zijelektrode steeds dunner wordt.
Zodra deze elektrode afgeronde hoeken krijgt kan de bougie beter vervangen worden.
De spanning die nodig is voor de vonkoverslag is van een aantal factoren afhankelijk.
 
De belangrijkste zijn:
 
 

1.       De hoogte van de compressiedruk in de cilinder(s).

          Hoe hoger de compressiedruk, des te hoger de benodigde vonkspanning.

2.       De elektrodeafstand.

          Hoe groter de elektrodeafstand, des te hoger de benodigde     vonkspanning.

3.       De mengselsamenstelling.

          Bij een erg rijk of erg arm mengsel verloopt de ontbranding moeizamer.

          Er is dan een krachtige vonk nodig, die relatief lang duurt.

4.       Temperatuur.

          Een hoge temperatuur verlaagt de benodigde vonkspanning.

5.       Mengselwerveling.

          Een juiste werveling is nodig om een homogeen mengsel te verkrijgen dat snel ontbrandt.

 Aan bougies worden tegenwoordig hoge eisen gesteld.
In 1902 leverde een motor met 1 liter slagvolume ongeveer 6 pk
en de ontsteking produceerde 15-20 vonken per seconde bij een spanning
van maximaal 10.000 V.
Bovendien werden elke 1000 km nieuwe bougies gemonteerd.
 Tegenwoordig levert een liter slagvolume al een vermogen van ± 55 Kw
waarbij ± 150 vonken per seconde nodig zijn. De spanning kan daarbij zeer hoog oplopen.
Ook de levensduur is veel langer, soms zelfs 100.000 km!

 

ZELFREINIGINGSTEMPERATUUR

 

Om aanslag op de bougie-isolator te voorkomen,
moet de temperatuur van de bougie tijdens het bedrijf boven de 400 °C (673 K) liggen.
Een ideale temperatuur is ± 600 °C (873 K),
waarbij de isolator als het ware schoonbrand.
Deze temperatuur stelt zich in ten gevolge van een evenwicht
tussen warmteopname en warmteafvoer.
De zelfreiniging temperatuur is voor alle bougies vrijwel gelijk.
 Bij bougies die te koud blijven kan de optredende aanslag shuntsluiting veroorzaken.
Hierbij zal de hoogspanning via de vervuiling naar de massa gaan.
Er is dus géén sprake van een vonk waardoor de motor direct “overslaat”.

 

 

 

 

WARMTEGRAAD
 
 Bougies worden ondermeer ingedeeld naar hun vermogen om warmte af te voeren.
Bij motoren met een laag specifiek vermogen moeten zgn. warme bougies
worden toegepast  die de toegevoerde warmte enigszins vasthouden,
waardoor de zelfreinigingtemperatuur sneller en bij een lagere bedrijfstemperatuur wordt bereikt.
Bij motoren met een hoog specifiek vermogen moet de warmte snel van de bougies
afgevoerd kunnen worden om geen gloeiontsteking te krijgen.
Hierbij wordt de zelfreinigingtemperatuur ook bij hogere bedrijfstemperaturen op ± 600° C gehouden.
Hierbij spreken we van koude bougies.
 
 Een warme bougie heeft een lange, diepe isolatorneus en een grote.open ruimte
tussen de huls en de schroefdraad waardoor de warmte een lange weg
moet afleggen naar de koele buitenlucht
 
Een koude  bougie heeft een korte, ondiepe isolatorneus en een kleine open ruimte
waardoor de warmte een korte weg aflegt.
 
                                                                                                                 
 
Figuur 1.7 Dit is een koude.bougie
                                                            
                                                  
                             
 
Figuur 1.6 Dit is een warme bougie
 
                                   
 
Deze warmteafvoer wordt in tabellen door de diverse fabrikanten aangegeven 
Op de bougie staat een bepaalde code waarin een cijfer of letter de warmtewaarde aangeeft.
Jammer genoeg heeft elke fabrikant zijn eigen coderingen zodat het ondoenlijk
is hier deze waarden te vermelden.
De codes uit de oude instructieboekjes zijn meestal niet meer van kracht.
Als we praten over een standaard motor dan voldoet meestal een neutraal type
moderne bougie met een breed warmtebereik prima.
 
BOUGIE CONDITIES
Het uiterlijk van de bougie-elektroden en de isolator zegt veel over o.a.
de mengselsamenstelling,
de kwaliteit van de verbranding en de bedrijfsomstandigheden   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ZELFONTSTEKING
 
Naast de normale ontsteking van het mengsel door de bougie komt het ook
voor dat het mengsel spontaan tot ontbranding komt.
We onderscheiden hierbij: Pingelen (detoneren) of Pre-ignition
 
PINGELEN OF DETONEREN
 
Dit is een gedeeltelijk spontane zelfontbranding van het samengeperste
lucht-benzinemengsel nadat de bougie gevonkt heeft.
Vooral bij zware belasting, als de cilinder goed gevuld wordt,
loopt de compressie-einddruk en temperatuur hoog op.
Ook de buitenluchttemperatuur speelt hierin een belangrijke rol.
 

 Wat gebeurt er nu precies?

 
Als de bougie de verbranding inleidt, ontstaat er een vlamfront
dat zich van de bougie af beweegt.
Voordat dit vlamfront alle uithoeken van de verbrandingskamer heeft bereikt,
treedt in de verst van de bougie verwijderde plaatsen door toenemende druk
en temperatuurstijgingen spontaan zelfontbranding op.
 Deze zelfontbranding heeft een dermate explosief karakter,
dat in de motor allerlei drukgolven ontstaan die een
“pingelend” geluid veroorzaken.
Het vlamfront kan zelfs de geluidssnelheid benaderen!
Pingelen is voornamelijk een mechanisch probleem;
door de optredende hoge piekdrukken kunnen zuigers
op den duur scheuren en stukhameren.
Ook zuigerveren kunnen breken!
De zuigerbodem zal een ruw, erosie-achtig oppervlak gaan vertonen.
Elke keer als pingelen optreedt, worden kleine stukjes materiaal uit de zuiger weggeslagen.
Doordat pingelen zich pas aan het eind van de verbranding voordoet,
ontstaan de kwalijke piekdrukken meestal pas na het BDP.
De grondoorzaak is eigenlijk altijd een te hoge temperatuur van het gecomprimeerde gas.
 
 De meest voorkomende oorzaken zijn: 
 
a. Te laag octaangetal van de gebruikte benzine

           b. Te vroege ontsteking door:      [ Verkeerde afstelling

                                                               [ Defecte vervroeging

c. Onvoldoende koeling door:           

.       Te warm weer

        .      Defect koelsysteem

d Te warme aanzuiglucht door:      

.      Hoge buitenluchttemperatuur

e. Te arm mengsel door:     

·        Verkeerde afstelling

·        Aanzuiging van valse lucht

f. Te hoge compressieverhouding :

·        Gebruik verkeerde koppakking

·        Vervuiling van de verbrandingskamer

·        Overmatig afslijpen van kop/blok.

g. Hoog olieverbruik:

·        Hierdoor zal de olie overmaat die in de verbrandingskamer aanwezig is

het octaangetal van de brandstof verlagen

waardoor de zelfontbrandingstemperatuur daalt.

PRE-IGNITION
 
Als de ontsteking van het mengsel plaatsvindt voordat de bougie gevonkt heeft,
noemt men dit “pre-ignition” of “voortijdige ontsteking”.
 
Wat gebeurt er nu precies?
 
Er ontstaan in de cilinder meestal twee vlamfronten die op elkaar inwerken,
waardoor een hoeveelheid mengsel wordt ingesloten.
De temperatuurstijging is hierbij zo groot dat het ingesloten mengsel spontaan ontsteekt.
Pre-ignition is voornamelijk een thermisch probleem;
doordat de verbranding al ruimschoots voor de bougievonk ontstaat,
wordt de zuigerbodem langdurig aan de hoge verbrandingstemperaturen blootgesteld.
De zuiger zal zeer heet worden en op zijn zwakste plaats doorsmelten,
b.v. midden op de zuigerbodem of bij het slot van de bovenste zuigerveer.
Door de zeer vroeg ingezette verbranding zal de hoogste druk al vóór het BDP ontstaan,
wat ook weer piektemperaturen geeft.
 
Hoe ontstaat pre-ignition eigenlijk?
 
Het vlamfront dat als eerste ontstaat wordt veroorzaakt door gloeiende
delen in de verbrandingskamer.
Deze gloeiende delen kunnen ontstaan door:
 
a.  Bougies met de verkeerde warmtegraad.
Een bougie die te heet wordt zal gaan gloeien.
b.  Bij viertakten:
     Beschadigde en/of lekke kleppen.
De klepschotelrand zal door oververhitting gaan gloeien.
     Te weinig klepspeling.
Doordat de klep de zitting niet meer bereikt ontstaat ook weer oververhitting.
c.  Te hoge motor en aanzuigluchttemperatuur.
d.  Te veel olie in de verbrandingskamer
e.  door motorslijtage of te vette mengsmering
f.  Gloeiende verbrandingsresten op zuiger, cilinderkop en bougies
door motorvervuiling en/of olieverbruik.

 

 

Geert Smid